Макромолекулы в живых организмах
КУРС
Предмет и задачи биохимии
Биологическая химия – это наука, изучающая химический состав живых организмов, превращения веществ и энергии, лежащей в основе их жизнедеятельности. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, который является основой той формы движения материи, которую мы называем жизнью.
Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:
1.1 Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы представлены миллионами разных видов.
1.2 Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).
1.3Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения
Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, протекающих в живом организме и теснейшим образом связанных друг с другом. Данные экспериментальной биохимии свидетельствуют о взаимосвязи и неразрывности процесса поглощения и усвоения питательных веществ – ассимиляции и процесса их разложения и выделения – диссимиляции.
Сопряженность и взаимосвязь отдельных реакций, происходящих при ассимиляции и диссимиляции питательных веществ в организме, проявляется также в сопряженности превращений энергии, происходящих в течение всей жизни организма.
1.4 Способность к точному самовоспроизведению.
Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния.
Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т.е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота. Однако все разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев (ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, белки – из аминокислот).
Макромолекулы в живых организмах
В живых организмах широко представлены четыре типа соединений – полимеров, образующих макромолекулы, состоящие из повторяющихся единиц – мономеров. Это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Макромолекулы составляют около 90% сухого вещества клеток живых организмов.
Некоторые характеристики макромолекул белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов представлены в таблице.
Характеристика биополимеров
| Полимеры | Основные параметры | |||
| Мономеры | Средняя молекулярная масса, Да | Структура молекул | Тип связи | |
| Белки | Аминокислоты | 104…106 | Неразветвленная цепь глобулярной или фибриллярной формы | Пептидная |
| Нуклеиновые кислоты | Нуклеотиды | 104…1010 | Неразветвленная цепь, имеющая форму спирали | Сложно-эфирная |
| Полисахариды | Моносахариды | 104…106 | Разветвленные или неразветвленные структуры нитевидной или шаровидной формы | Простая эфирная |
Липиды не образуют полимеров, таких как полимеры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В природных условиях липиды способны образовывать крупные ассоциаты.
Исходя из этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого:
Структура биологических макромолекул проста в своей основе.
Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки.
Идентичность организмов каждого вида сохраняется благодаря наличию свойственного только ему набора нуклеиновых кислот и белков.
Все биомолекулы выполняют в клетках специфические функции.
Разделы биохимии
Биохимию разделяют на:
3.1 Статическую, изучающую химический состав живой материи;
3.2 Динамическую, изучающую процессы обмена веществ в организме;
3.3 Функциональную, изучающую процессы, лежащие в основе определенных проявлений жизнедеятельности.
Первая часть обычно именуется органической химией и излагается в специальном курсе, вторая и третья части являются собственно биохимией.
Различают биохимию:
- растений;
- животных;
- биохимию микроорганизмов;
- биохимию человека (медицинская биохимия).
Выделением веществ в чистом виде и определением их строения занимается химия природных соединений.
Биохимия растений изучает состав и превращение веществ в растениях и растительном сырье. Существуют также отраслевые биохимии: биохимия масличных растений и масличного сырья, биохимия молока, зерна, мяса, хлебных продуктов и т.д.
В отдельную отрасль вылилась ферментология – крупный раздел, изучающий свойства биологически активных веществ – ферментов.
История развития биохимии
Биохимия растений в России зародилась в 1814 году, когда академик К. С. Кирхгоф в Петербурге описал гидролиз крахмала под действием солодового экстракта, полученного из ячменя.
. Андрей Сергеевич Фаминцын (1838-1918) создал крупный труд «Обмен веществ и превращение энергии в растениях». А.М. Бутлеров способствовал его опубликованию. Выдающимися учениками Фамицына А.С. была профессор Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) и Иван Парфеньевич Бородин (1847-1930). Ивановский Д.И. открыл фильтрующиеся вирусы. И.П. Бородин работал в области дыхания растений и участия белков в этом процессе.
Академик Алексей Николаевич Бах в 1921 году организует в Москве исследовательский институт здравоохранения (впоследствии НИИбиохимии) и очень много работал в области ферментологии. Он создал отрасль технической биохимии. Академики Владимир Иванович Палладин и Сергей Павлович Костычев исследовали дыхание и брожение.
Климент Аркадьевич Тимирязев прославился классическими исследованиями в области изучения процесса усвоения углекислого газа зелеными растениями на свету (фотосинтез) и работами в области физики и химии хлорофилла. Академик Дмитрий Николаевич Прянишников изучал превращения азота в почве и в растениях. Сергей Павлович Костычев и Владимир Степанович Буткевич организовали микробиологическое получение лимонной кислоты. А.Л. Курсанов создал в России производство чая, основанное на знании биохимических превращений, происходящих в чайном листе. Академик Александр Иванович Опарин организовал школу биохимиков в области превращения растительного сырья. Он первый создал рационально обоснованное виноделие. Научное обоснование хлебопечению дал Вацлав Леонович Кретович, ферментации табака – Александр Иванович Смирнов. Витамины были открыты Николаем Ивановичем Луниным в 1881 году. В Ленинграде Н.Н. Иванов изучал биохимию культурных растений, там же в области биохимии растительного сырья работал М.И. Княгиничев. В.В. Виноградский изучал обмен веществ у микроорганизмов. М.В. Ненцкий – один из основоположников отечественной биохимии, занимался превращением веществ в зеленых растениях. Михаил Семенович Цвет (1872-1919) разделил пигмент хлорофилл на отдельные компоненты.
Значительный вклад в развитие биохимии внесли и зарубежные ученые.
В 1828 году Ф. Велер впервые синтезировал органическое вещество – мочевину из неорганических соединений. Во второй половине XIX века была определена структура аминокислот, углеводов и жиров и установлена природа пептидной связи в белках. Исследованиями Ю. Либиха, Л. Пастера, Э. Бухнера были получены первые сведения о химических превращениях белков, жиров и углеводов в живых организмах, также было положено начало изучению химизма брожения.
В результате работ О. Варбурга, Г. Эмдена, О. Мейергофа и Х. Кребса были установлены механизмы основных этапов процессов брожения и биологического окисления – был описан цикл Кребса. Д. Самнер в 1926 году экспериментально доказал белковую природу ферментов.
В 1943 году Ф. Липман открыл кофермент А и выявил его важную роль в синтезе жиров. А. Ленинджер в 1949 году показал, что окислительное фосфорилирование, обеспечивающее живые организмы энергией, идет в митохондриях. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик доказали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) состоит из двух нитей, а К. Ниренберг в 1963 году расшифровал первый генетический код ДНК и показал взаимосвязь между структурой ДНК организма и составом слагающих этот организм белков.
Элементарный состав
Химический состав организмов существенно отличается от химического состава неживой природы. В состав живых организмов входят 4-е основных элемента: углерод – 50-60%; водород – 3-4%; кислород – 25-30%; азот – 8-10%.
На долю этих 4 элементов приходится 99% химического состава органических веществ, а 1% - на другие элементы. Распределение химических элементов в неживой природе (земной коре) – другое: на долю трех элементов (С, Н, N) приходится около 1%.
Все органические вещества, входящие в состав живых организмов, т.е. белки, жиры, углеводы и др., содержат атом углерода. Атом углерода четырехвалентен и способен соединяться с другими элементами ковалентной связью с образованием различных органических веществ.
│ • • │
— С— • С • + • Н • С : Н — С — Н
│ • • │
• • │
С : + : О С : : О С = О
• • │
• • • • │ │
• С • + • С • • С : С • — С — С —
• • • • │ │
• • • • │
С : + : С С : : С — С = С —
• • • • │
В составе живых организмов органические соединения с тройной связью практически отсутствуют. Ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур, которые лежат в основе скелетов многочисленных органических биомолекул. К таким углеродным скелетам могут присоединяться другие атомные группы.
Функциональные группы
Производные органических веществ в своем составе могут иметь различные функциональные группы, которые образуются за счет замены атомов водорода (см. табл.).
Таблица
Функциональные группы, характеризующие семейства органических соединений
| Функциональная группа | Строение | Семейство | |
| Гидроксильная | R — О — Н | Спирты | |
| Карбонильные | Альдегидная Кетонная |   О  R — С Н  R1  С = О R2 | Альдегиды Кетоны |
| Карбоксильная | О  R — С ОН | Органические кислоты | |
| Аминогруппа | Н  R — N Н | Амины, аминокислоты | |
| Амидогруппа | Н R — С — N ║ Н О | Амиды | |
| Сульфгидрильная | R — S — Н | Тиолы | |
| Сложно-эфирная | R1— С — О — R2 ║ О | Сложные эфиры | |
| Эфирная | R1 — О — R2 | Простые эфиры | |
В состав биомолекул могут также входить некоторые функциональные группы, которые являются весьма реакционно-способными. К ним относятся:
Метильная – R — СН3
Этильная – R — С2Н5
Дисульфидная – R1 — S — S —R2
ОН
│
Фосфатная – R — О— Р — ОН и некоторые другие
║
О
Большинство биомолекул содержит несколько функциональных групп, поэтому являются полифункциональными:
|
|
|
|
│ │
СН3 СН3
Аланин Молочная кислота
Макромолекулы построены из небольших биомолекул, которые включаются в большом количестве.
Вода в живых организмах
Является наиболее широко распространенным веществом в живой природе.
В большинстве организмов ее весовое содержание составляет 70% и более, причем в растительных организмах воды больше, чем в животных. Кроме этого, вода была средой, в которой зародилась жизнь. Вода заполняет составные части живой клетки и представляет собой среду, в которой осуществляется транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живых клеток и их функции должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды. С содержанием воды связан процесс старения: при старении уменьшается способность удерживать влагу.
По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет высокую температуру плавления, кипения и теплоту испарения, что свидетельствует о сильном притяжении между соседними молекулами. Это объясняется тем, что каждый из двух атомов водорода объединяет свой электрон с одним из электронов атома кислорода. Две образующиеся электронные пары обусловливают V-образную форму молекул воды. Так как у кислорода есть еще две неподеленные электронные пары, он несет частичный отрицательный заряд. Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода. Поэтому на них локализуются частичные положительные заряды:
• • • • • + - +
2Н + • О : Н : О : Н — О — Н
• • •
Н
Хотя молекула воды в целом электронейтральна, ее частичные отрицательный и положительный заряды пространственно разделены, что приводит к возникновению у нее электрического дипольного момента, т.е. две соединенные молекулы воды могут притягиваться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частичными положительными и отрицательными зарядами. Такой тип электростатического притяжения называется водородной связью.
Водородные связи слабее ковалентных, но благодаря своей многочисленности они обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды.
Водородные связи характерны не только для воды. Они легко образуются между любым электроотрицательным атомом (обычно кислород или азот) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом в той же или другой молекуле. Например:
Водород
Донор Акцептор водорода
— О — Н ••• О = С
— О — Н ••• N
— О — Н ••• О
N — Н ••• О = С
N — Н ••• О
N — Н ••• N
За счет свойств, описанных выше, вода является значительно лучшим растворителем, чем большинство других жидкостей.
Кристаллические соли (NaCl) хорошо растворимы в воде, но почти не растворимы в неполярных жидкостях. Это обусловлено биполярным характером молекулы воды.
Второй класс веществ, растворимый в воде – это нейтральные органические соединения, содержащие полярные функциональные группы: спирты, альдегиды, кетоны. Растворение происходит за счет образования водородных связей между молекулами воды и полярными функциональными группами.
Существуют также вещества, диспергируемые водой. К ним относятся полярные соединения (например, мыла). Это происходит за счет образования агрегатов – мицелл, в которых гидрофильные отрицательно заряженные карбоксильные группы обращены к водной фазе и взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные неполярные углеводородные цепи спрятаны внутри структуры.
Водная фаза
Живые организмы успешно приспособились к водной среде и приобрели способность использовать необычные свойства воды. За счет высокой теплоемкости она действует в клетках как «тепловой буфер», поддерживающий в организме относительно постоянную температуру. Высокая теплота испарения воды используется для защиты организма от перегревания (путем испарения пота у некоторых позвоночных). Сильное сцепление молекул в жидкой воде обеспечивает эффективный перенос в растениях растворенных питательных веществ от корней к листьям. Кроме этого, важные биологические свойства макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты) обусловлены их взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде.
Чистая вода, контактирующая с чистым воздухом, имеет рН около 5,6 (Н+ и НСО-3 при взаимодействии СО2 с Н2О), Суточная потребность воды составляет 2-2,6 л (в том числе: вода пищи – около 1 л). Вода в живых организмах представлена в нескольких видах:
- свободная влага – имеет механическую форму связи (удаляется при высушивании);
- связанная влага – химическим путем связана с органическими соединениями (механическим путем не отделяется).
Определение общего содержания воды называется определением влажности.
КУРС
Предмет и задачи биохимии
Биологическая химия – это наука, изучающая химический состав живых организмов, превращения веществ и энергии, лежащей в основе их жизнедеятельности. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, который является основой той формы движения материи, которую мы называем жизнью.
Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул, большинство из которых представляют собой органические соединения. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплении неживых молекул. К ним относятся следующие свойства:
1.1 Сложность и высокая степень организованности. Живые организмы представлены миллионами разных видов.
1.2 Любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняется строго определенную функцию. Это относится даже к индивидуальным химическим соединениям (липиды, белки и т.п.).
1.3Способность извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды – либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения
Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, протекающих в живом организме и теснейшим образом связанных друг с другом. Данные экспериментальной биохимии свидетельствуют о взаимосвязи и неразрывности процесса поглощения и усвоения питательных веществ – ассимиляции и процесса их разложения и выделения – диссимиляции.
Сопряженность и взаимосвязь отдельных реакций, происходящих при ассимиляции и диссимиляции питательных веществ в организме, проявляется также в сопряженности превращений энергии, происходящих в течение всей жизни организма.
1.4 Способность к точному самовоспроизведению.
Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния.
Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т.е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота. Однако все разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев (ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, белки – из аминокислот).
Макромолекулы в живых организмах
В живых организмах широко представлены четыре типа соединений – полимеров, образующих макромолекулы, состоящие из повторяющихся единиц – мономеров. Это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Макромолекулы составляют около 90% сухого вещества клеток живых организмов.
Некоторые характеристики макромолекул белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов представлены в таблице.
Характеристика биополимеров
| Полимеры | Основные параметры | |||
| Мономеры | Средняя молекулярная масса, Да | Структура молекул | Тип связи | |
| Белки | Аминокислоты | 104…106 | Неразветвленная цепь глобулярной или фибриллярной формы | Пептидная |
| Нуклеиновые кислоты | Нуклеотиды | 104…1010 | Неразветвленная цепь, имеющая форму спирали | Сложно-эфирная |
| Полисахариды | Моносахариды | 104…106 | Разветвленные или неразветвленные структуры нитевидной или шаровидной формы | Простая эфирная |
Липиды не образуют полимеров, таких как полимеры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В природных условиях липиды способны образовывать крупные ассоциаты.
Исходя из этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого: